tdc及tcspc的技術(shù)原理-TCSPC高精度時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)模塊

TDC技術(shù)和TCSPC技術(shù)都是用來(lái)進(jìn)行時(shí)間測(cè)量的技術(shù)手段，雖然應(yīng)用范圍大致相同，但是原理卻不同。

TDC原理如右圖所示。來(lái)自單光子探測(cè)器的光電子信號(hào)脈沖和來(lái)自激光器的參考脈沖輸入到延遲鏈中。時(shí)序邏輯查看延遲鏈中的數(shù)據(jù)，識(shí)別單光子和及激光脈沖的開始-停止對(duì)，并以此方式確定單光子在激光脈沖序列中的時(shí)間位置。然后，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)，建立通常的TCSPC/FLIM光子分布。

TCSPC技術(shù)所基于的原理是：在記錄低強(qiáng)度、高重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)時(shí)，由于光強(qiáng)很低，以至于在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)探測(cè)到一個(gè)光子的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。因此，沒有必要考慮在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)探測(cè)到幾個(gè)光子的情形。只要記錄這些光子，測(cè)量它們?cè)谛盘?hào)周期內(nèi)的時(shí)間，并建立光子時(shí)間分布的直方圖就足夠了。TCSPC技術(shù)的基本原理如圖所示。

探測(cè)器的輸出信號(hào)是對(duì)應(yīng)于探測(cè)到單個(gè)光子的隨機(jī)分布的脈沖序列。一般情況下，一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)探測(cè)到多于一個(gè)光子的幾率是很小的，有些信號(hào)周期會(huì)探測(cè)到一個(gè)光子，也有許多信號(hào)周期沒有檢測(cè)到光子。當(dāng)探測(cè)到一個(gè)光子時(shí)，就可以在信號(hào)周期內(nèi)測(cè)得與探測(cè)器脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間。每記錄一次這樣的事件（光子），就在對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中加“1”，該存儲(chǔ)單元的地址與探測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)。在記錄了許多光子之后，就可以根據(jù)存儲(chǔ)器中各個(gè)單元的光子數(shù)，得到探測(cè)時(shí)間的分布，即光脈沖的波形。乍看起來(lái)其原理雖然有點(diǎn)復(fù)雜，但TCSPC在記錄光子信號(hào)時(shí)，其時(shí)間分辨率非常高，探測(cè)效率接近于理想。

TCSPC可以高精度地測(cè)量出單個(gè)光子脈沖的時(shí)間，因此，光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)中的帶寬僅僅受到探測(cè)器輸出脈沖的渡越時(shí)間漲落（transit time spread，TTS）的限制，而不受單電子脈沖（single electron response，SER）寬度的限制。由于探測(cè)器單光子脈沖的TTS通常比其SER要窄一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此對(duì)特定的探測(cè)器，TCSPC技術(shù)可以獲得比任何一種模擬記錄技術(shù)更高的時(shí)間分辨率。

所以對(duì)于時(shí)間分辨率（時(shí)間精度）這個(gè)重要參數(shù)，TCSPC比TDC更容易實(shí)現(xiàn)高分辨率技術(shù)。

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